新型人工腎： 讓透析不再是患者救命的“最后底牌”
關注人工器官發展③
目前，科學家在研究新型人造生物腎的征途上已經邁出了“萬里長征第一步”，3D技術打印生物腎、干細胞培養的生物腎以及將動物腎進行改造后移植給人等路徑都有科學家在進行實踐。隨著腎臟替代技術的發展，這些新型人工腎最終或將用于臨床，讓為透析所困的患者重獲新生。
自1943年荷蘭醫生Kolff與工程師Berk共同研制出世界上第一臺體積龐大的轉鼓式人工腎后，血液凈化技術取得了非常大的進步和發展，挽救了無數生命。然而，這種被稱為尿毒癥患者救命的“最后底牌”的透析技術，卻往往因為透析頻次多、時間長、可能出現透析失衡、感染等并發癥，讓許多患者望而生畏。
據2020世界頂級醫學期刊《柳葉刀》公布的全球慢性腎臟病流行病學報告顯示：截止到2017年，全球慢性腎臟病患者人數達6.975億，中國患病人數達1.323億。我國國家腎臟病醫療質量控制中心數據顯示，我國透析患者數量已接近80萬人，而且呈逐年增長趨勢。
目前，隨著納米科技、3D打印、生物醫學、人工智能等新技術的廣泛應用，新型人工腎的研發取得了重要進展，有望將患者從透析中解放出來。
人工腎可挽救腎衰竭患者生命
人體內的每個器官都各司其職。腎臟擔負著人體內代謝廢物的排泄，以及維持酸堿平衡及各種電解質穩定的功能。一旦腎臟失去功能，人體內毒素和廢物的代謝將受到很大影響，毒素和廢物排出不暢，就會堆積在體內，對身體造成傷害。目前腎替代治療的主要方式仍然是在醫院或血液凈化中心進行透析治療。
“人工腎是可以模擬人體腎臟功能進行腎臟替代治療的裝置的統稱，主要包括目前臨床廣泛使用的血液透析、腹膜透析等技術設備，用于救治急、慢性腎功能衰竭患者的生命。”天津市醫學會腎病學分會委員、武警特色醫學中心腎病學科主任醫師宋潔介紹，血液透析是將血液引出體外流經人工合成的生物膜，通過彌散、對流、吸附等原理將血液中的代謝廢物、毒素、過多的水分等清除，然后再讓經過凈化的血液回流到人體內。
“雖然人工腎可以挽救生命，但也存在很多弊端。”宋潔介紹，全球有將近400萬人接受人工腎的替代治療，但由于透析相關并發癥多，死亡風險高，患者平均5年生存率只有50%左右。
血液透析患者往往需每周往返醫院3—4次，每次透析耗時3—4小時，治療過程中患者需要躺在治療床上，通過特殊的管路與透析機連接。這種頻繁且被固定機器所束縛的治療模式，使患者的自由受限，嚴重影響了他們的正常生活。從能源和環保方面看，目前人工腎工作需要消耗大量的水和電。據統計，如果按每人每次血液透析4小時，透析液流速500毫升/分計算，每分鐘就需要用約1升的市政供水來準備透析液，4小時的透析需要消耗240升市政供水。此外，血液透析的電力消耗也非常大，每年全球血液透析估計消耗27.5億千瓦時電力。
“因此，近年來，人工腎的創新性研究方向主要集中在如何提高尿毒癥患者長期生存率、改善其生活質量，以及使用過程中如何節能環保。”宋潔表示。
可穿戴人工腎有望改善患者生活
近年來，科研人員一直在孜孜不倦地研發更高科技、更便攜，不影響工作、生活的人工腎。其中，離臨床最近的當屬便攜式可穿戴人工腎。
隨著吸附劑技術、納米技術和細胞培養技術的進步，重量小于2公斤的可穿戴式人工腎(AWAK)已進入臨床試驗階段。“AWAK人工腎是一款重量很輕、內含特殊吸附劑的新型腹膜透析裝置。與傳統腹膜透析相比，它不需要依賴大量的透析液體，患者背著它可以隨意走動。”宋潔介紹，“今年3月，還有一種名為WAK3.0的穿戴式人工腎獲批美國專利，WAK3.0僅重0.9公斤，體積更小，可像腰帶一樣佩戴。它可以模擬腎臟，24小時持續穩定地清除患者體內的毒素和水分，不影響患者日常活動。”
但由于便攜式設備經常與人體進行連接、斷開的操作，可能會導致感染風險。于是，也有科研人員嘗試將小型透析裝置直接植入人體內。
“植入式人工腎(IAKs)是一種結合了硅納米技術和人工培養生物腎小管上皮細胞的模擬人工腎，重量只有約0.5公斤，目前也已植入動物體內進行實驗。”宋潔認為，從動物實驗過渡到人體臨床試驗，還需進一步觀察硅納米膜材料與人體的生物相容性，驗證其清除廢物、凈化血液的效能。“雖然最終達到植入人體的目標可能還需要更多研究充分驗證，但IAKs的研制仍然讓人興奮，不久的將來可能會改變許多透析患者的命運。”
目前，計算機、通信技術和互聯網技術的飛速發展，Quanta SC+、NxStage System One等各種智慧化的血液透析系統的研發成功和推廣應用，已經使家庭透析進入遠程智能化時代，患者在家中就可以安全地完成治療，時間更自由，也更節約水電，將來有望在全球范圍內推廣。
“在我國，天津大學、四川大學、武警特色醫學中心等多家單位的專家團隊也一直致力于小型便攜式人工腎、可穿戴式人工腎的研發，關鍵技術已經取得了突破性進展。”宋潔舉例說，“比如武警特色醫學中心研制了一種便攜式人工腎，重量約12公斤，和家用電腦主機箱一樣大小，單人即可攜帶，電池驅動，方便醫護人員攜帶到地震等災害現場救治重癥腎功能衰竭患者。四川大學的專家團隊也采用新材料及微型化技術，正在研制能像腰帶一樣戴在身上的佩戴式人工腎。”
人造生物腎或將讓患者擺脫透析
“目前研發的人工腎，還僅僅只是一個機器。各種人工生物材料對人體來說仍然是外來物，它可以模仿人類腎臟的功能，但可能永遠無法取代它。”宋潔介紹，腎移植仍然是終末期腎病患者的最佳治療方式。但用于移植的器官供求之間存在巨大差距，因此國內外科學家們進行了大量實驗，嘗試研制出更接近天然腎臟的人造生物腎。
目前，科學家在研究新型人造生物腎的征途上已經邁出了“萬里長征第一步”，3D技術打印生物腎、干細胞培養的生物腎以及將動物腎進行改造后移植給人等路徑都有科學家在進行實踐。
“目前要想通過3D技術打印生物腎臟還面臨許多挑戰。”宋潔解釋，一方面腎臟結構十分復雜，由26種不同類型的細胞組成，要達到或接近天然腎臟的功能，上皮細胞、內皮細胞和系膜細胞都是必需具備的，這些細胞不僅要達到足夠的數量，還要能模擬天然腎臟的自分泌和旁分泌功能，來達到傳遞生物信號的作用；另一方面還需要有豐富的人類腎臟細胞來源，這就涉及到醫學倫理問題；此外，還需具備納米尺度分辨率的高速生物打印技術；最后，生物打印的腎臟在植入人體前還要經過嚴格的生理成熟性和功能性測試。
目前，還有一些研究人員正在開展將去細胞腎臟作為移植腎臟替代方案的實驗，去細胞化是指去除所有細胞材料，即去除了出現負面影響的免疫原，只保留腎臟的支架結構，包括基質結構和固有的生物連接，這樣動物腎臟也可以作為人體腎臟移植的潛在來源，在去細胞化后的支架結構上重新植入一個祖細胞群，包括誘導多能干細胞、胚胎干細胞、骨髓來源的間充質干細胞等，形成人體新的腎臟。
盡管目前還存在很多困難，但隨著腎臟替代技術的發展，這些新型人工腎最終或將用于臨床，讓為透析所困的患者重獲新生。
本報記者 陳 曦
